零间距PEM水电解制氢单元的制作方法

本发明涉及电解水制氢领域，具体地，涉及零间距pem水电解制氢单元。

背景技术：

1、电解水制氢以水为反应物，在电解装置的阴阳两级施加直流电即可产生氢气和氧气，设备结构简单，产生氢气纯度高，可以大规模技术推广和使用。电解水装置从结构设计上主要可以：有间距型电解水制氢装置和零间距型电解水制氢装置。其中，零间距型电解水制氢装置具有电流密度高、效率高、相应速度快等特点，能很好的匹配可再生能源(如风能、太阳能)，并且由于结构紧凑，可以在高达3-5mpa的高压下运行，有效简化氢气的压缩和存储过程。

2、零间距型电解水制氢装置往往包含多个制氢单元，而每个制氢单元主要由膜电极、扩散层、极板和密封材料组成。膜电极作为反应的核心部件由阳极催化层、离子交换膜和阴极催化层构成。离子交换膜一般为固体电解质，能够有效的隔绝阴阳两极生成的气体，根据可传输离子的种类可以分为阳离子交换膜(一般特指质子交换膜)和阴离子交换膜。当交换膜为阳离子交换膜(pem)时，阳极催化剂可将水分解为氧气、电子和质子，质子穿过交换膜后，在阴极催化剂的作用下转化为氢气。零间距pem水电解制氢装置反应区可采取流道，或者直接用金属网来形成电解水的流通路径。使用金属网容易造成电解水在阳极腔体内流动的随机性和不可控性，致使反应区内各个区域域反应效率不一致，进一步的损害膜电极的使用寿命。而现有的零间距pem水电解制氢装置仅通过在活性区使用流道设计，还不足以完全解决电解水在阳极腔体内流动的随机性和不可控性问题。另外，流道设计因其顶部为含断点的非连续平面(锯齿状断面)，无法为密封材料提供充分的支撑，因此在高压运行条件下存在密封失效的风险。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种零间距pem水电解制氢单元，通过阳极分流支撑片、阳极汇流片以及阴极汇流片的设计，控制阴阳两级的流体特性，解决活性区内流体控制困难、反应效率不一致以及密封材料受支撑不充分的问题。

2、根据本发明提供的一种零间距pem电解水制氢单元，包括阳极集流板、阴极集流板、金属双极板以及膜电极，阳极集流板通过膜电极连接金属双极板一侧，金属双极板另一侧通过膜电极连接阴极集流板；

3、水从阳极集流板和金属双极板阳极侧进入膜电极对应的反应区发生反应产生氧气，氧气与水从出水公共通道排出，从阴极集流板和金属双极板阴极侧进入膜电极对应的反应区生成氢气，从出氢口排出。

4、优选的，阳极集流板的两侧分别连接有阳极密封条，阴极集流板的两侧分别连接有阴极密封条，金属双极板的阴极侧连接有阴极密封条，金属双极板的阳极侧连接有阳极密封条。

5、优选的，阳极集流板上设有阳极集流板密封分流支撑片、阳极集流板密封汇流支撑片，阳极集流板、阳极集流板密封分流支撑片、阳极集流板密封汇流支撑片、阳极密封条以及膜电极形成阳极密封腔体；

6、阴极集流板上设有阴极密封汇流支撑片，阴极集流板、阴极密封汇流支撑片、阴极密封条以及膜电极形成阴极密封腔体；

7、金属双极板阳极侧上设有阳极侧密封分流支撑片和阳极侧密封汇流支撑片，金属双极板阳极侧、阳极侧密封分流支撑片、阳极侧密封汇流支撑片、阳极密封条以及膜电极形成阳极侧密封腔体；

8、金属双极板阴极侧上设有阴极侧密封汇流支撑片，金属双极板阴极侧、阴极侧密封汇流支撑片、阴极密封条以及膜电极形成阴极侧密封腔体。

9、优选的，阳极集流板上设有阳极反应区、阳极分流区以及阳极汇流区，阳极反应区一端连接阳极分流区，阳极反应区另一端连接阳极汇流区，阳极分流区连接阳极公共进水口，阳极汇流区连接阳极公共出水口；

10、金属双极板上设有阳极侧反应区、阳极侧分流区以及阳极侧汇流区，阳极侧反应区一端连接阳极侧分流区，阳极侧反应区另一端连接阳极侧汇流区，阳极侧分流区连接阳极侧公共进水口，阳极侧汇流区连接阳极侧公共出水口；

11、水通过阳极公共进水口和阳极集流板密封分流支撑片进入阳极密封腔体，通过阳极集流板密封汇流支撑片流入阳极公共出水口；与此同时，水通过阳极侧公共进水口和阳极侧密封分流支撑片进入阳极侧密封腔体，通过阳极侧密封汇流支撑片流入阳极侧公共出水口。

12、优选的，阳极反应区内设置有第一流道，阳极侧反应区内设置有第二流道，第一流道和第二流道呈块阵型流道或直通型流道；

13、第一流道与阳极分流区、阳极汇流区以及阳极扩散层相匹配，第二流道与阳极侧分流区、阳极侧汇流区以及阳极扩散层相匹配；

14、水从阳极公共进水口和阳极侧公共进水口进入，分别经过阳极分流区和阳极侧分流区均匀进入阳极密封腔体和阳极侧密封腔体，在阳极反应区和阳极侧反应区中，水流经特定几何尺寸的第一流道和第二流道，穿过阳极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氧气，氧气与未反应的水一起由阳极公共出水口和阳极侧公共出水口排出。

15、优选的，阴极集流板上设有阴极反应区和阴极汇流区，阴极反应区两端分别通过阴极汇流区连接阴极氢气出口，阴极反应区内设置有第三流道，第三流道呈蛇形流道或平面型流道，第三流道与阴极汇流区以及阴极扩散层相匹配；

16、金属双极板阴极侧上设有阴极侧反应区和阴极侧汇流区，阴极侧反应区两端分别通过阴极侧汇流区连接阴极侧氢气出口，阴极侧反应区内设有第四流道，第四流道呈蛇形流道或平面型流道，第四流道与阴极侧汇流区以及阴极扩散层相匹配；

17、水流经过阴极汇流区和阴极侧汇流区分别进入在阴极密封腔体和阴极侧密封腔体中，水流经特定几何尺寸的第三流道和第四流道，穿过阴极扩散层进入膜电极对应的反应区进行反应产生氢气，氢气从阴极氢气出口和阴极侧氢气出口排出。

18、优选的，第一流道、第二流道、第三流道以及第四流道的槽宽度为0.5-2mm、脊宽度和槽宽度比例为0.8-1.:1、流道深度和槽宽度比例为0.5-1:1；

19、且阴极反应区高度比阴极安装面小0.1-0.3mm，阴极侧反应区高度比阴极侧安装面小0.1-0.3mm。

20、优选的，阳极集流板和金属双极板阳极侧结构一致；

21、阳极反应区和阳极公共进水口之间布置有阳极分流区和阳极密封分流支撑片安装区，阳极分流区的底部与第一流道底部处于同一高度，阳极密封分流支撑片安装区上安装有阳极集流板密封分流支撑片，阳极集流板密封分流支撑片安装至阳极密封分流支撑片安装区后的顶部平面与第一阳极板密封面处于同一高度；

22、阳极反应区和阳极公共出水口之间布置有阳极汇流区和阳极密封汇流支撑片安装区，阳极汇流区的底部与第一流道底部处于同一高度，阳极密封汇流支撑片安装区上安装有阳极集流板密封汇流支撑片，阳极集流板密封汇流支撑片安装至阳极密封汇流支撑片安装区后的顶部平面与第二阳极板密封面处于同一高度。

23、优选的，阴极集流板和金属双极板阴极侧结构一致；

24、阴极反应区和阴极氢气出口之间布置有阴极汇流区和阴极密封汇流支撑片安装区，阴极汇流区的底部与第三流道部处于同一高度，阴极密封汇流支撑片安装区上安装有阴极密封汇流支撑片，阴极密封汇流支撑片安装至阴极密封汇流支撑片安装区后的顶部平面与阴极板密封面处于同一高度。

25、优选的，阳极集流板密封分流支撑片、阳极集流板密封汇流支撑片、阳极侧密封分流支撑片、阳极侧密封汇流支撑片、阴极密封汇流支撑片以及阴极侧密封汇流支撑片上均设有密封结构。

26、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

27、(1)本发明在金属双极板的阳极侧设置了阳极分流支撑片与阳极汇流支撑片，可以优化水的分配，控制水经过阳极密封腔室的压降，调节流体特性，提高阳极侧的反应效率；

28、(2)本发明在阳极活性区设置与分流区、汇流区、扩散层相适配的流道，优化水的分配，提高阳极侧的反应效率；

29、(3)本发明在阴极侧设置了阴极汇流支撑片，控制气体离开阴极密封腔室的压降，提高阴极侧的反应效率；

30、(4)本发明在阴极活性区设置与分流区、扩散层相适配的流道，优化水的分配，提高阴极侧的反应效率；

31、(5)本发明的阳极分流支撑片、阳极汇流支撑片、阴极汇流支撑片上的密封结构设计还提高了整体密封结构的密封强度。